JP2006183475A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、羽根車出口から羽根車入口へ還流する循環流を確実に制限して循環ロスを低減し得る遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明にかかる遠心圧縮機１は、羽根車７の外周側にシュラウド１３を有する遠心圧縮機１において、シュラウド１３の流体出口側端部にアブレイダブルフィン２１を設け、ケーシング３側の、アブレイダブルフィン２１に対向する対向面３０をアブレイダブル材で構成したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遠心力によってガス等の流体を圧縮するクローズタイプの遠心圧縮機に関するものである。

シュラウドを有するクローズタイプの遠心圧縮機では、羽根車出口から吐出される流体の一部がシュラウドとケーシングとの間の隙間を流れて羽根車入口において吸入される流体に還流する循環流が存在している。この循環流のために余分な動力を必要とし、循環ロスを生じていた。
この循環ロスを低減させるものとして、例えば特許文献１に示すようなものがある。これは、羽根車への流体入口部分におけるシュラウドとケーシングとの間にラビリンスを設けたものであり、回転に伴う羽根車の遠心変形によりシュラウドとラビリンスとの間隔を狭めて循環流の流量を制限するものである。

特開平９−３１７６９２号公報（段落［０００９］〜［００１３］，及び図１）

ところで、例えばインジェクション用の遠心圧縮機では、高圧縮低流量であるため、羽根車入口の回転半径が小さく、かつ回転周速が遅い。そのため、特許文献１の構造を採用しても、遠心変形の効果が少なく循環ロスの低減効果が少ないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、羽根車出口から羽根車入口へ還流する循環流を確実に制限して循環ロスを低減し得るクローズタイプの遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる遠心圧縮機は、羽根車の外周側にシュラウドを有する遠心圧縮機において、前記シュラウドの流体出口側端部にアブレイダブルフィンを設け、ケーシング側の、前記アブレイダブルフィンに対向する対向面をアブレイダブル材で構成したことを特徴とする。

このように、シュラウドの流体出口側端部、すなわち回転半径が最大となる羽根車外周部にアブレイダブルフィンを設けているので、運転時回転に伴い作用する遠心力により羽根車と共にシュラウドの流体出口側端部がラジアル方向へ変形する。この変形により、アブレイダブルフィンはケーシング側の対向面の方向へ移動する。このケーシング側の対向面方向への移動により、アブレイダブルフィンは、対向面との間でシールを形成するので、羽根車から吐出される流体が、羽根車の吸入側へ還流するのを阻止できる。
また、アブレイダブルフィンに対向するケーシング側の対向面をアブレイダブル材で構成しているので、アブレイダブルフィンが対向面に接触した場合、対向面が切削される。これにより、アブレイダブルフィンが対向面に接する程度まで移動できるので、羽根車から吐出される流体が、羽根車の吸入側へ還流するのを確実に阻止できる。
さらに、アブレイダブルフィンは遠心力により変形し易い流体出口側端部に取り付けられているので、インジェクション用高圧圧縮機等の周速の遅い（例えば、２５０ｍ／秒以下）ものでも、確実なシール効果を発揮でき、羽根車から吐出される流体が、羽根車の吸入側へ還流するのを確実に阻止できる。

また、本発明の遠心圧縮機は、前記羽根車が取り付けられたハブの外周面にハブ側アブレイダブルフィンを設け、前記ケーシング側の、前記ハブ側アブレイダブルフィンに対向するハブ側対向面をアブレイダブル材で構成したことを特徴とする。

このように、ハブの外周面、すなわち回転半径が最大となる羽根車外周部にハブ側アブレイダブルフィンを設けているので、運転時回転に伴い作用する遠心力により羽根車と共にハブの外周面がラジアル方向へ変形する。この変形により、ハブ側アブレイダブルフィンはケーシング側のハブ側対向面の方向へ移動して、ハブ側対向面との間でシールを形成する。したがって、羽根車から吐出される流体が、隣接するプロセスへ漏洩するのを防止できる。
また、ハブ側アブレイダブルフィンに対向するケーシング側のハブ側対向面をアブレイダブル材で構成しているので、ハブ側アブレイダブルフィンがハブ側対向面に接触した場合、ハブ側対向面が切削される。これにより、ハブ側アブレイダブルフィンがハブ側対向面に接する程度まで移動できるので、羽根車から吐出される流体が、隣接するプロセス側へ漏洩するのを確実に阻止できる。

さらに、本発明の遠心圧縮機は、前記対向面と前記ハブ側対向面との内、少なくともいずれか一方に設けられた略リング状の凹所と、該凹所に嵌合可能に形成された略リング状のアブレイダブル部材と、を備え、前記アブレイダブル部材の前記アブレイダブルフィンあるいはハブ側アブレイダブルフィンに対向する側は少なくともアブレイダブル材で形成されていることを特徴とする。

このように、略リング状のアブレイダブル部材をケーシング側の凹所に嵌合するだけで対向面あるいはハブ側対向面が形成されるので、製造が容易となる。
また、アブレイダブル部材のアブレイダブル材が、アブレイダブルフィンあるいはハブ側アブレイダブルフィンにより切削されてシール効果が低減すると、アブレイダブル部材を交換することで、容易に復旧できる。

請求項１に記載の発明によれば、シュラウドの流体出口側端部、すなわち回転半径が最大となる羽根車外周部にアブレイダブルフィンを設けているので、羽根車から吐出される流体が、羽根車の吸入側へ還流するのを阻止できる。
また、アブレイダブルフィンに対向するケーシング側の対向面をアブレイダブル材で構成しているので、羽根車から吐出される流体が、羽根車の吸入側へ還流するのを確実に阻止できる。
さらに、アブレイダブルフィンは遠心力により変形し易い流体出口側端部に取り付けられているので、インジェクション用高圧圧縮機等の周速の遅い（例えば、２５０ｍ／秒以下）ものでも、確実なシール効果を発揮でき、羽根車から吐出される流体が、羽根車の吸入側へ還流するのを確実に阻止できる。

請求項２に記載の発明によれば、ハブの外周面、すなわち回転半径が最大となる羽根車外周部にハブ側アブレイダブルフィンを設けているので、羽根車から吐出される流体が、隣接するプロセスへ漏洩するのを防止できる。
また、ハブ側アブレイダブルフィンに対向するケーシング側のハブ側対向面をアブレイダブル材で構成しているので、羽根車から吐出される流体が、隣接するプロセス側へ漏洩するのを確実に阻止できる。

請求項３に記載の発明によれば、アブレイダブル部材をケーシング側の凹所に嵌合するだけで対向面あるいはハブ側対向面が形成されるので、製造が容易となる。
また、アブレイダブル部材のアブレイダブル材が、アブレイダブルフィンあるいはハブ側アブレイダブルフィンにより切削されてシール効果が低減すると、アブレイダブル部材を交換することで、容易に復旧できる。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図１を用いて説明する。
本実施形態は、本発明を天然ガスを貯蔵する、あるいは油田に戻して原油を押圧するために天然ガス（流体）を高圧にするインジェクション用の遠心圧縮機に適用したものである。

この遠心圧縮機は、高圧縮低流量である。ここで、高圧縮低流量の遠心圧縮機とは、次式で表される流量係数φが、０．０５以下のものを指している。

なお、本発明を適用するのに好ましい流量係数φは０．０２以下で、より好ましいのは０．０１程度である。

遠心圧縮機１には、ケーシング３と、ケーシング３に回転自在に設けられた回転軸５と、回転軸５に固定された複数の羽根車７とが備えられている。

ケーシング３には、ガス流路９が設けられている。このガス流路９の一端にはケーシング３内外を貫通するガスの吸込口（図示せず）が連通され、他端にはケーシング３内外を貫通するガスの吐出口（図示せず）が連通されている。

ケーシング３には、回転軸５が回転自在に挿着されている。回転軸５は、その一端がラジアル軸受（図示略）により支持され、他端がラジアル軸受（図示略）およびスラスト軸受（図示略）により支持されている。回転軸５の一端は原動機の出力軸（図示せず）に連結され、原動機の作動時に出力軸と一体に回転駆動するようになっている。

羽根車７は、回転軸５に一体に固定される環状のハブ１０と、ハブ１０の表面に周方向に向かって所定の間隔ごとに一体に設けられる流線形状の複数の羽根１１と、羽根１１の先端に取り付けられたシュラウド１３とから構成されている。
羽根車７は、ニッケル・クロム・モリブデン鋼で形成されている。なお、ステンレス系の材料で形成してもよい。

羽根車７には、ハブ１０と、隣り合う羽根１１，１１間と、シュラウド１３とで複数のガス通路１５が形成されている。各ガス通路１５の回転軸５側がガス入口１７となり、回転軸５から離隔した側、すなわち外周端側がガス出口１９となる。ガス入口１７とガス出口（流体出口側端）１９とは、それぞれガス流路９と連通されている。
ケーシング３とシュラウド１３との間にある隙間は、還流路１４を形成している。また、ケーシング３とハブ１０との間にある隙間は、隣接するプロセス、例えば次段の羽根車７に連通する通路１６を形成している。

シュラウド１３の外周端、すなわちガス出口１９側端部には、アブレイダブルフィン２１が設けられている。アブレイダブルフィン２１は、機械による切削加工によってシュラウド１３と一体に形成されている。
ハブ１０の外周端、すなわちガス出口１９側端部には、ハブ側アブレイダブルフィン２３が設けられている。ハブ側アブレイダブルフィン２３は、機械による切削加工によってハブ１０と一体に形成されている。

アブレイダブルフィン２１に対向するケーシング３側の部分には、略リング状をした凹所２５が設けられている。凹所２５の側面部には、略リング状の小凹所２７が設けられている。
凹所２５には、小凹所２７に嵌合する突出部を有する略リング状のアブレイダブル部材２９が嵌合され、適宜手段で固定されている。アブレイダブル部材２９には、アブレイダブルフィン２１に対向する対向面３０が設けられている。アブレイダブル部材２９は、アブレイダブルフィン２１よりも柔らかいアルミ系の金属（例えば、Ａｌ−Ｓｉグラファイト系）で形成されている。また、条件によっては、ポリテトラフルオロエチレン系の樹脂であってもよい。
なお、小凹所２７は、凹所２５の側面ではなく、内周側（図２の面内上側）に設けてもよく、また、側面と内周側の両方に設けてもよい。

ハブ側アブレイダブルフィン２３に対向するケーシング３側の部分には、略リング状をした凹所３１が設けられている。凹所３１の側面部には、略リング状の小凹所３３が設けられている。
凹所３１には、小凹所３３に嵌合する突出部を有する略リング状のハブ側アブレイダブル部材（アブレイダブル部材）３５が嵌合され、適宜手段で固定されている。ハブ側アブレイダブル部材３５には、ハブ側アブレイダブルフィン２３に対向するハブ側対向面３６が設けられている。ハブ側アブレイダブル部材３５は、ハブ側アブレイダブルフィン２３よりも柔らかいアルミ系の金属（例えば、Ａｌ−Ｓｉグラファイト系）で形成されている。また、条件によっては、ポリテトラフルオロエチレン系の樹脂であってもよい。
なお、小凹所３３は、凹所３１の側面ではなく、内周側（図２の面内上側）に設けてもよく、また、側面と内周側の両方に設けてもよい。

なお、本実施形態では、アブレイダブル部材２９とハブ側アブレイダブル部材３５とは、全体がアブレイダブル材で構成されているが、アブレイダブルフィン２１あるいはハブ側アブレイダブルフィン２３と対向する面に所定厚さのアブレイダブル材の層を形成するようにしてもよい。

以上説明した本実施形態にかかる遠心圧縮機は次のように動作する。
原動機を作動させると、原動機の出力軸と一体に回転軸５及び羽根車７が回転駆動し、ケーシング３の吸込口からガス流路９内にガスが吸い込まれる。そして、ガスは羽根車７の各ガス通路１５のガス入口１７から各ガス通路１５内に吸い込まれる。ガス通路１５内に吸い込まれたガスは、遠心力により圧縮されつつガス通路１５内を流れてガス出口１９からガス流路９内に吐出される。吐出されたガスはガス流路９内を流れてケーシング３の吐出口からケーシング３外に吐出される。

この羽根車７の回転に伴い発生する遠心力により、羽根車７の外周がラジアル方向へ伸張するように変形する。この変形により、シュラウド１３もラジアル方向へ伸張するので、シュラウド１３の外周端に設けられたアブレイダブルフィン２１は、ケーシング３側に設けられたアブレイダブル部材２９の対向面３０に接近し、アブレイダブルフィン２１の先端と対向面３０との間でシールを形成する。
アブレイダブルフィン２１と対向面３０との間で形成されたシールにより、羽根車７のガス出口１９から吐出されるガスが還流路１４へ入るのを阻止できる。したがって、ガスが羽根車７のガス入口１７へ還流するのを阻止できる。

また、アブレイダブルフィン２１は、シュラウド１３の外周端に設けられているので、遠心力による変形量は最大となる。そのため、周速が、例えば２５０ｍ／秒以下と遅く遠心力がそれ程大きくならないものでも、アブレイダブルフィン２１はそれなりに移動量を確保できるので、確実なシール効果を発揮できる。

羽根車７の回転時にアブレイダブルフィン２１の先端が対向面３０側に接触しても、接触による衝撃力は対向面３０を構成するアブレイダブル材が削られることで緩衝することができるので、アブレイダブルフィン２１と対向面３０との間隔を極小に設定することができる。そのため、羽根車７のガス出口１９から吐出されるガスが還流路１４を通ってガス入口１７へ還流されるのを略確実に阻止できる。

同様にして、羽根車７の回転によりハブ１０もラジアル方向へ伸張するので、ハブ１０の外周端に設けられたハブ側アブレイダブルフィン２３は、ケーシング３側に設けられたハブ側アブレイダブル部材３５のハブ側対向面３６に接近し、ハブ側アブレイダブルフィン２３と対向面３０との間でシールを形成する。
ハブ側アブレイダブルフィン２３とハブ側対向面３６との間で形成されたシールにより、羽根車７のガス出口１９から吐出されるガスが通路１６へ入るのを阻止できる。したがって、ガスが例えば次段の羽根車７等の次のプロセスへ漏洩するのを阻止できる。

羽根車７の回転時にハブ側アブレイダブルフィン２３がハブ側対向面３６側に接触しても、接触による衝撃力はハブ側対向面３６を構成するアブレイダブル材が削られることで緩衝するので、ハブ側アブレイダブルフィン２３とハブ側対向面３６との間隔を極小に設定することができる。そのため、羽根車７のガスが通路１６を通って次のプロセスへ漏洩するのを略確実に阻止できる。

遠心圧縮機１が長時間稼動すると、アブレイダブルフィン２１またはハブ側アブレイダブルフィン２３が、アブレイダブル部材２９の対向面３０またはハブ側アブレイダブル部材３５のハブ側対向面３６を切削して、稼動条件によってはアブレイダブルフィン２１またはハブ側アブレイダブルフィン２３とそれらの対向面３０，３６との間に隙間を生じるようになる。このように、稼動条件によってアブレイダブルフィン２１またはハブ側アブレイダブルフィン２３とそれらの対向面３０，３６との間に隙間が生じるようになると、所要のシール効果を発揮できなくなる。

こういう状態になると、遠心圧縮機１を分解して、ケーシング３に取り付けたアブレイダブル部材２９またはハブ側アブレイダブル部材３５を取り外し、新規なアブレイダブル部材２９またはハブ側アブレイダブル部材３５を取り付ける。例えば、新規なアブレイダブル部材２９を取り付ける場合、アブレイダブル部材２９の側面に設けられた突出部を、ケーシング３側の小凹所２７へ嵌合することで、位置決めをしつつ仮止めする。その後ボルト等適宜手段で固定する。
このように、アブレイダブル部材２９またはハブ側アブレイダブル部材３５を交換することにより、簡単に所要のシール効果を奏するように復旧できる。

以下、本実施形態の作用・効果を説明する。
本実施形態の遠心圧縮機１によれば、シュラウド１３の外周端部、すなわち回転半径が最大となる羽根車７の外周部位置にアブレイダブルフィン２１を設けているので、運転時回転に伴い作用する遠心力により羽根車７と共にシュラウド１３の外周端部がラジアル方向へ変形する。この変形により、アブレイダブルフィン２１はケーシング３側の対向面３０の方向へ移動する。このケーシング３側の対向面３０方向への移動により、アブレイダブルフィン２１は、対向面３０との間でシールを形成するので、羽根車７のガス出口１９から吐出されるガスが、羽根車７のガス入口１７へ還流するのを阻止できる。
また、アブレイダブルフィン２１に対向する対向面３０をアブレイダブル材で構成しているので、アブレイダブルフィン２１が対向面３０に接触した場合、対向面３０が切削される。これにより、アブレイダブルフィン２１が対向面３０に接する程度まで移動できるので、羽根車７のガス出口１９から吐出されるガスが、羽根車７のガス入口１７側へ還流するのを確実に阻止できる。
さらに、アブレイダブルフィン２１は遠心力により変形し易いガス出口１９部に取り付けられているので、周速の遅い（例えば、２５０ｍ／秒以下）ものでも、確実なシール効果を発揮でき、羽根車７のガス出口１９から吐出されるガスが、羽根車７のガス入口１７側へ還流するのを確実に阻止できる。

また、本実施形態の遠心圧縮機によれば、ハブ１０の外周面、すなわち回転半径が最大となる羽根車７の外周部位置にハブ側アブレイダブルフィン２３を設けているので、運転時回転に伴い作用する遠心力により羽根車７と共にハブ１０の外周面がラジアル方向へ変形する。この変形により、ハブ側アブレイダブルフィン２３はケーシング３側に設けられたハブ側アブレイダブル部材３５のハブ側対向面３６の方向へ移動して、ハブ側対向面３６との間でシールを形成する。したがって、羽根車７のガス出口１９から吐出されるガスが、隣接するプロセスへ漏洩するのを防止できる。
また、ハブ側アブレイダブルフィン２３に対向するケーシング側のハブ側対向面３６をアブレイダブル材で構成しているので、ハブ側アブレイダブルフィン２３がハブ側対向面３６に接触した場合、ハブ側対向面３６が切削される。これにより、ハブ側アブレイダブルフィン２３がハブ側対向面３６に接する程度まで移動できるので、羽根車７のガス出口１９から吐出されるガスが、隣接するプロセス側へ漏洩するのを確実に阻止できる。

さらに、本実施形態では、アブレイダブル部材２９とハブ側アブレイダブル部材３５とがケーシング３側の凹所２５，３１に嵌合するだけで対向面３０あるいはハブ側対向面３６が形成されるので、製造が容易となる。
また、アブレイダブル部材２９とハブ側アブレイダブル部材３５とのアブレイダブル材が、アブレイダブルフィン２１あるいはハブ側アブレイダブルフィン２３により切削されてシール効果が低減すると、アブレイダブル部材２９またはハブ側アブレイダブル部材３５を交換することで、容易にシール効果を復旧できる。

なお、本実施形態では、対向面３０とハブ側対向面３６とは、それぞれケーシング３に着脱可能なアブレイダブル部材２９とハブ側アブレイダブル部材３５に形成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図２に示すように、アブレイダブルフィン２１に対向するケーシング３側の部分に、アブレイダブル材を溶射によって所定の厚みで一体に設けて対向面４１を形成する。そして、ハブ側アブレイダブルフィン２３に対向するケーシング３側の部分に、アブレイダブル材を溶射によって所定の厚みで一体に設けて対向面４３を形成してもよい。

このように、対向面をケーシング３と一体に形成すると、羽根車７から吐出するガスの圧力変動等に起因する振動等により壊れる可能性がないので、安全性が確保できる。

本発明の一実施形態にかかる遠心圧縮機の部分断面図である。 本発明の別の実施形態にかかる遠心圧縮機の部分断面図である。

符号の説明

１ 遠心圧縮機
３ ケーシング
７ 羽根車
１０ ハブ
１３ シュラウド
２１ アブレイダブルフィン
２３ ハブ側アブレイダブルフィン
２５ 凹所
２９ アブレイダブル部材
３０ 対向面
３１ 凹所
３５ ハブ側アブレイダブル部材
３６ ハブ側対向面
４１ 対向面
４３ ハブ側対向面

Claims (3)

1. 羽根車の外周側にシュラウドを有する遠心圧縮機において、
   前記シュラウドの流体出口側端部にアブレイダブルフィンを設け、
   ケーシング側の、前記アブレイダブルフィンに対向する対向面をアブレイダブル材で構成したことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記羽根車が取り付けられたハブの外周面にハブ側アブレイダブルフィンを設け、
   前記ケーシング側の、前記ハブ側アブレイダブルフィンに対向するハブ側対向面をアブレイダブル材で構成したことを特徴とする請求項１に記載された遠心圧縮機。
3. 前記対向面と前記ハブ側対向面との内、少なくともいずれか一方に設けられた略リング状の凹所と、
   該凹所に嵌合可能に形成された略リング状のアブレイダブル部材と、を備え、
   前記アブレイダブル部材の前記アブレイダブルフィンあるいはハブ側アブレイダブルフィンに対向する側は少なくともアブレイダブル材で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された遠心圧縮機。
   

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